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靜電

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與滑梯之間的摩擦使左邊的孩子帶上了電,這使得他的頭髮互相排斥,又與滑梯吸引。

靜電電荷在物質系統中的不平衡分布產生的現象。用毛皮摩擦琥珀絲綢摩擦玻璃棒等方法均能使物體帶電。物體帶電後,電荷會保持在物體上,除非被其他物體移走,所以稱之為「靜電」。靜電與電流不同,後者是電荷在導體中的定向移動產生的電學現象。帶電物體往往具有吸引輕小物體(比如紙屑)的性質。[1][2]

起電[編輯]

使物體帶上電荷叫做「起電」[2]。組成物質的原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。正常情況下,物體中正負電荷電量相等,對外不顯示出電性,即不帶電。在一定的外部作用下(比如摩擦),物體得到或失去一定數量的電子,使物體內部正負電荷電量不相等,物體就會對外呈現電性,即帶電[3]。物體帶電後,可以使用靜電驗電器檢驗電荷的種類和多少。

摩擦起電[編輯]

用摩擦的方法使物體帶電叫做摩擦起電[2]。兩種不同物質相互摩擦時,電子在物體之間發生轉移,是摩擦起電的實質。兩種物質接觸時,由於兩者的電子逸出功不同,電子會從低逸出功的物質流向高逸出功的物質。這是由於兩物體接觸點電位相同,高逸出功的物質對應電子能量更低。失去電子的物質逐漸帶上正電,得到電子的物質逐漸帶上負電,最終正負電荷建立的反向電場與使電子流動的效應抵消,電子的轉移停止。[4]

正負電荷的定義是由摩擦起電產生的。用絲綢摩擦過的玻璃棒上所帶的電荷是正電荷[注 1],用毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電荷是負電荷。這種命名法由班傑明·富蘭克林首先提出,一直沿用到現在[5]。至於摩擦起電過程中電子的流向,仍沒有很好的理論能夠給予合理的解釋[6][7]:16

靜電感應[編輯]

靜電感應簡單圖解.svg

靜電感應是物體內的電荷因受外界電荷的影響而重新分布[8]。這個現象由英國科學家約翰·坎通和瑞典科學家約翰·卡爾·維爾克英語Johan Carl Wilcke分別在1753年和1762年發現[9]

當帶正電的物體C被移近右邊的導體導體時,導體內部能自由移動的電荷受到C產生的電場影響,左側A端聚集負電荷,右側B端聚集正電荷。此時若將此導體從中間切開,則A、B兩部分分別帶上等量的負電荷和正電荷。使A、B兩部分重新接觸後,它們所帶電荷全部消失,回復原先的電中性狀態。[5]

放電[編輯]

靜電積累之後,由於不同物體電位不同,電荷通過瞬間電流發生轉移的過程稱為放電。冬季手和金屬之間的火花、閃電等現象都屬於放電。

物體由於積累靜電而攜帶的能量取決於電荷量大小、物體的大小、物體的電容以及周圍介質的相對介電常數。為了估算放電對精密儀器的影響,人體通常由一個電容為100pF,電壓4000到35000伏特的電容器代替,以此進行研究。當人們觸摸物體時,這些能量在不到1毫秒的時間內釋放出來[10]。雖然釋放的能量很小(大約為0.001焦耳數量級),但仍能對敏感的儀器造成損害。更大的物體能儲存更多的能量,甚至能對人體造成直接危害,或者產生足以點燃可燃氣體或粉塵的電火花。

閃電[編輯]

閃電:自然界中最常見的放電

閃電是自然界中最典型的放電現象。普遍認為,閃電發生前的電荷積累由雲層中的冰晶顆粒的接觸摩擦產生。當雲和雲之間或雲層和地面之間的電位差足夠大時,空氣被擊穿形成電流,即為閃電[11]。放電形成的電流加熱了周圍的空氣,產生亮光和聲音。

可燃性流體[編輯]

可燃性流體中積聚的靜電一旦發生放電,產生的電火花可能會引起爆炸。[12]

充分混合的粉狀物質或者不易導電的流體在管道中流動時,或受到機械攪拌時,容易因摩擦而積累靜電[13][14]。而可燃的粉末充分混合於空氣中時,會變得極其易燃易爆。一旦靜電放電發生,就會引發爆炸。由於這個原因造成了許多工業事故[15][16][17]

電導率低於50pS/m的流體被劃為不易導電。在電導率高於50pS/m的流體中,靜電積累的速率和電荷中和的速率相等,或比它更低,所以靜電難以累積起來。化學工業中,50pS/m是是否需要為設備添加除靜電裝置的標準。

煤油電導率從少於1pS/m到20pS/m不等。相比之下,去離子水的電導率大約10,000,000pS/m[18]

航天飛行[編輯]

由於太空環境中濕度非常低,會有大量的靜電積累起來,對太空飛行器上的儀器造成危害。登上月球的太空人在極度乾燥的地面行走之後接觸太空飛行器時也會發生強烈的放電,會對精密儀器造成影響。 [19]

靜電的能量[編輯]

靜電放電時釋放的能量有大有小,覆蓋了相當廣的範圍。將積累了靜電的物體視作電容器,則放電時釋放的能量可以由電容器的電容電壓以及儲存的電荷量得到:

[20]
[21]

有實驗人員估計,人體的電容大約為400pF,電壓50,000伏特(以觸碰汽車時為例),放電時釋放的能量大約0.5焦耳[22]另有估計為100-300pF和20,000伏特,大約釋放0.06焦耳能量。[23]國際電工委員會標準479-2:1987指出能量大於5J的放電對人體健康造成直接的風險。這一委員會的標準60065指出消費級產品不能對人產生能量大於0.35J的放電。

低至0.2mJ的電火花可能存在著火的危險,但這種如此低能量的火花往往低於人的視覺和聽覺感知的最小閾值。

典型的引燃能量:

  • 氫氣 0.017 mJ
  • 碳氫化合物蒸汽 0.2-2 mJ
  • 較細的可燃性粉塵 1–50 mJ
  • 較粗的可燃性粉塵 40–1000 mJ

足以破壞大多數電子設備的靜電具有2到1000nJ(2*10-9J~1*10-6J)。[24]

靜電的消除和預防[編輯]

消除靜電的最簡單方法就是使用空氣加濕器,提高空氣的相對濕度可以增強空氣的導電性,有利於物體上的靜電經過空氣被導走。使用離子發生器也能達到相同的效果。[25]

靜電放電敏感的物體可以使用抗靜電劑,使它們的表面變得容易導電,從而防止靜電積累。[26]

許多半導體設備對靜電很敏感,這些電路元件通常需要用防靜電包裝(例如由金屬網製成)來進行保護。在對含有敏感元件的電路進行操作時,人們也會穿戴防靜電裝置[27][28]

一塊包裹在防靜電包裝里的網卡
一個帶有鱷魚夾的防靜電腕帶

靜電的應用[編輯]

複印、空氣過濾、印刷、噴漆等領域有利用靜電的特性。

參見[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ 近年亦有實驗指出,如果玻璃棒溫度較高,或玻璃棒表面粗糙造成摩擦時局部溫度較高,玻璃棒上會產生負電荷。

參考資料[編輯]

  1. ^ Dhogal. Basic Electrical Engineering, Volume 1. Tata McGraw-Hill. 1986: 41. ISBN 978-0-07-451586-0. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 趙凱華,陳熙謀. 新概念物理教程.電磁學 第二版. 北京: 高等教育出版社. 2006年12月: 1. ISBN 978-7-04-020202-1 (中文(中國大陸)‎). 
  3. ^ 趙凱華,陳熙謀. 新概念物理教程.電磁學 第二版. 北京: 高等教育出版社. 2006年12月: 4. ISBN 978-7-04-020202-1 (中文(中國大陸)‎). 
  4. ^ Mihai Lungu. Electrical separation of plastic materials using the triboelectric effect. Minerals Engineering. 26 June 2003,. Volume 17 (Issue 1): 69–75 [2016-07-07]. 
  5. ^ 5.0 5.1 趙凱華,陳熙謀. 新概念物理教程·電磁學 第2版. 北京: 高等教育出版社. 2006年12月: 2. ISBN 978-7-04-020202-1. 
  6. ^ 史蒂文·溫伯格. The Discovery of Subatomic Particles [亞原子粒子的發現]. 第一推動叢書 第2版. 湖南科技出版社. 2007年: 22. ISBN 7535745318 (中文(中國大陸)‎). 
  7. ^ Steven Weinberg. The Discovery of Subatomic Particles Revised Edition. Cambridge University Press. 1 September 2003. ISBN 978-0-521-82351-7. ...why when amber is rubbed with fur the electrons go from the glass to the silk? Oddly enough, we still don't know. 
  8. ^ Electrostatic induction. Encyclopaedia Britannica online. Encyclopaedia Britannica, Inc. 2008 [2008-06-25]. 
  9. ^ Electricity. Encyclopaedia Britannica, 11th Ed. 9. The Encyclopaedia Britannica Co.: p.181. 1910 [2008-06-23]. 
  10. ^ Carlos Hernando Díaz, Sung-Mo Kang, Charvaka Duvvury, Modeling of electrical overstress in integrated circuits Springer, 1995 ISBN 0-7923-9505-0 page 5
  11. ^ J. J. Lowke. Theory of electrical breakdown in air. Journal of Physics D: Applied Physics. 1992, 25 (2): 202–210. Bibcode:1992JPhD...25..202L. doi:10.1088/0022-3727/25/2/012. 
  12. ^ Kassebaum, J. H. & Kocken, R. A. Controlling Static Electricity in Hazardous (Classified) Locations. Petroleum and Chemical Industry 42nd Annual Conference Papers. 1995: 105–113. doi:10.1109/PCICON.1995.523945. ISBN 0-7803-2909-0. 
  13. ^ Wagner, John P.; Clavijo, Fernando Rangel Electrostatic charge generation during impeller mixing of used transformer oil Department of Nuclear Engineering, Safety Engineering and Industrial Hygiene Program, Texas A&M University, College Station, online 21 August 2000; accessed Jan 2009 doi:10.1016/S0304-3886(00)00019-X
  14. ^ Egorov, V.N. Electrification of petroleum fuels (PDF). Khimiya i Tekhnologiya Topliv i Masel. 1970, 4: 20–25. 
  15. ^ Hearn, Graham. Static electricity: concern in the pharmaceutical industry?. Pharmaceutical Science & Technology Today. 1998, 1 (7): 286–287. doi:10.1016/S1461-5347(98)00078-9. 
  16. ^ Storage Tank Explosion and Fire in Glenpool, Oklahoma April 7, 2003 National Transportation Safety Board
  17. ^ Static Spark Ignites Flammable Liquid during Portable Tank Filling Operation Chemical Safety Board October 29, 2007
  18. ^ Chevron Corporation Aviation Fuels Technical Review 2006, accessed Dec 2008
  19. ^ NASA – Crackling Planets. [2008-01-20]. 
  20. ^ Nomograms for capacitive electrostatic discharge risk assessment. Ece.rochester.edu. Retrieved on 2010-02-08.
  21. ^ 趙凱華,陳熙謀. 新概念物理教程. 電磁學 第二版. 北京: 高等教育出版社. 2006年12月: 65–66. ISBN 978-7-04-020202-1. 
  22. ^ High voltage safety: VandeGraaff Electrostatic Generator. amasci.com. [2010-01-27]. 
  23. ^ Index. Wolfsonelectrostatics.com. Retrieved on 2011-03-17.
  24. ^ ESD Terms. eed.gsfc.nasa.gov. [2010-01-27]. 
  25. ^ Ionizers and Static Eliminators. GlobalSpec. 2009 [2009-04-13]. 
  26. ^ Fabric Softener and Static. Ask a Scientist, General Science Archive. US Department of Energy. 2003 [2009-04-13]. 
  27. ^ Antistatic Bags for Parts. PC Chop Shop (John Wiley and Sons). 2004 [2009-04-13]. ISBN 978-0-7821-4360-7. 
  28. ^ Antistatic Wrist Strap. PC Chop Shop (John Wiley and Sons). 2004 [2009-04-13]. ISBN 978-0-7821-4360-7.